【摘要】 血红素氧合酶(heme oxygenase,HO)是体内唯一一种催化血红素分解代谢的限速酶，他可以氧化降解血红素，将其分解为一氧化碳、自由铁和胆绿素。其中诱导型血红素氧合酶血红素氧合酶1(HO1)是机体最重要的内源性保护物质之一，广泛参与组织细胞的抗氧化应激损伤，被认为是在细胞受损维持其氧化和抗氧化动态平衡的关键因素，本文就HOl与视网膜的关系作如下综述。
【关键词】 血红素氧合酶1；视网膜；氧化应激
Heme oxygenase1 and retina
Jing Zhang, PingHua Li
Department of Ophthalmology,the First Affiliated Hospital, Chongqing University of Medical Sciences, Chongqing 400016, China
Corresopondence to: PingHua Li.Department of Ophthalmology,the First Affiliated Hospital, Chongqing University of Medical Sciences, Chongqing 400016, [email protected]
AbstractHeme oxygenase(HO) is the only ratelimiting enzyme of promoting heme catabolisation in human body. It can catalyze the oxidative degradation of heme to carbon monoxide, free iron and biliverdin. That expression of HO1 is also substantially induced by a variety of molecules causing oxidative stress.HO1 may serve as a key endogenous factor in the adaptation and/or defense against oxidative and cellular stress.The relationship of HO1 and retinal diseases such as hypoxic retinopathy，neovascular retinopathy，proliferative retinopathy and light damage retinopathy were summarized.
KEYWORDS: heme oxygenase; retina; oxidative stress
引言
血红素氧合酶1（heme oxygenase, HO1），亦称热休克蛋白32(HSP32)，被认为是体内一种内源性保护因子，广泛参于组织细胞的抗氧化应激［1］。近年来，越来越多的研究表明，HO1与视网膜光应激损伤、年龄相关性黄斑变性、糖尿病视网膜病变、青光眼等有重要关联。本文就HO1在视网膜中的作用作一综述。
1血红素氧合酶系统
1.1血红素氧合酶的生物学特性
血红素氧合酶（heme oxygenase, HO）为血红素降解的限速酶。目前已发现3种HO的同工酶，分别称为HO1、HO2和HO3，他们为不同基因编码的产物。HO1，广泛分布于哺乳动物多种组织细胞微粒体中，能被多种氧化应激因素如血红素、过氧化氢、低氧、热休克、紫外线、重金属、NO、内毒素、细胞因子、缺血再灌注和氧化低密度脂蛋白等所诱导。因此，HO1又被称为诱导型HO。HO2对HO1的调节无反应，在特定组织中稳定的表达，因而被称为结构型HO，其唯一的诱导剂为肾上腺糖皮质激素（GCs）,目前认为HO2作为细胞功能的生理调节剂而起作用。HO3和HO2具有90％的氨基酸同源性并有相似的组织分布特征。在生理情况下血红素被HO催化产生游离铁、CO和胆绿素，胆绿素随即被还原成胆红素。HO分解血红素产生的游离铁与铁调节蛋白（IRP）结合，使铁IRP复合物从铁蛋白mRNA上解离，从而上调铁蛋白的合成。HO的细胞保护作用主要是通过胆红素、CO和铁蛋白发挥一系列抗氧化、抗炎、抗凋亡、信号传导和免疫调节等作用。
1.2视网膜中HO异构酶的调控
在正常情况下，视网膜中HO1和HO2表达的对比和对氧化应激的应答曾被监测。HO2在正常情况下占主导地位。在视网膜神经节细胞层（GCL）、内核层（INL）、外核层（ONL）神经元，HO2蛋白只是稳定地表达。当应激的时候，在视网膜中有明显的HO1mRNA的表达。在缺血再灌注这一氧化应激刺激下，仅在Müller细胞内有高度表达的HO1mRNA及其蛋白［2］，在强烈可见光照射下可诱导视网膜色素上皮细胞RPE细胞高度表达HO1。HO1和HO2调节的差异及作用与他们激活区域的调节因子有关。在HO1的此区域中，存在着不同的序列用于结合不同的调节因子，如热休克因子，活化因子蛋白1（AP1），核因子κΒ(NFκΒ）及金属调节因子，而只有单一的糖皮质激素应答成分（GRE）在HO2基因中存在。
1.3 HO1诱导的分子调节机制
HO1可被多种刺激因素诱导，是目前为止诱导因素最多的一种酶，这些众多诱导因素的共同特点是能够产生氧化应激反应。但是，各种氧化应激因素诱导HO1表达的分子调节机制却十分复杂，不仅在基因转录水平上受到严格的调节，而且存在物种和细胞特异性。如大鼠HO1基因启动区内含有一个热休克反应元件，但在人HO1中，热休克元件却没有功能，而存在于人HO1基因启动区内的由GT二核苷酸串联重复序列组成的微卫星结构(GT)n则是其他物种所没有的，更主要体现在基因转录水平上受到的严格调节。迄今已有3种哺乳动物(大鼠、小鼠和人)的HO1基因的互补DNA(cDNA)被克隆和测序。人HO1基因位于22q12染色体上，含5个外显子，长约1414kb 。多个研究发现，人HO1基因启动区中 4.5kb～ 4.0kb和 9.1kb～ 4.5kb两个区域是血红素和镉活化人HO1基因所必需的，可是单纯对这两个区域进行最大程度的激活却达不Norther分析法所测得的HO1的实际表达水平，可见，在人HO1基因启动区的上述区域之外必然还存在着许多调控HO1诱导的序列。新近研究发现，人HO1基因启动区所特有的(GT)n微卫星结构的长度直接影响着HO1基因的转录水平，(GT)n越长，即GT二核苷酸序列重复数越多，HO1基因转录和表达的水平就越低，并会因此增加肺气肿、冠心病的发生率［3］。由此可见，深入研究调控各种刺激因素诱导HO1基因转录与表达的分子学机制具有重要的意义。
2 HO1在视网膜中的作用
1987年，Schwartzman ML等在牛视网膜中发现血红素氧合酶。1992年，Kutty G等发现人视网膜中存在血红素氧合酶。同其他组织一样，视网膜HO1也能被各种应激因素所诱导。体外实验发现，视网膜母细胞瘤细胞中有血红素氧合酶的表达，给予Hemim、亚砷酸钠、甲萘醌（促凝血药）刺激后能诱导HO1表达增加；人RPE细胞有低水平HO1表达，Hemim、氯化镉、亚砷酸钠能诱导RPE细胞HO1表达增加；同样观察到给予砷酸钠和过氧化氢刺激鼠视网膜HO1免疫反应明显增加，且仅在Müller细胞内发现了此酶的表达［4］。此外，体外实验还发现，β转化生长因子（βTGF）也可以诱导RPE细胞HO1表达增加。HO1能拮抗氧化应激在视网膜疾病中所起的损伤作用。
2.1 HO1和视网膜氧化应激损伤
视网膜的许多病理情况下都可以产生大量的游离血红蛋白和血红素，当血红素与分子氧反应时，可催化产生具有细胞毒性的活性反应氧（ROS），从而引起DNA损伤、脂质过氧化和蛋白质变性。人RPE细胞在血红蛋白或血红素存在的情况下高度表达HO1，HO1降解血红素提供细胞保护作用。Abraham等［5］用基因转染技术将HO1基因转染到人RPE细胞，观察HO1对血红蛋白毒性的保护。结果发现HO1基因转染的人RPE细胞，HO1表达增强，RPE细胞存活率明显增加。HO1能有效缓解血红蛋白对RPE细胞的毒性。但是，暂时性或持久性的诱导HO1的表达还需进一步研究。
2.2 HO1与视网膜光损伤
过强的光或长时间直视光源都可以对眼睛造成损害。视网膜光损伤自由基大量产生，脂质过氧化增强，氧化反应剧烈，最终导致视细胞凋亡。Kutty等首先发现强烈可见光照射12和24h，视网膜HO1mRNA表达分别增加52倍和98倍。把光照后的大鼠放回黑暗环境中24h，发现视网膜HO1mRNA表达明显减少。光照前给予人工合成的抗氧化剂二甲基硫脲(DMTU)可抑制HO1 mRNA的诱导表达。视网膜HO1mRNA在光照射后的诱导表达被认为是细胞抗光氧化应激的保护机制，在视网膜光损伤具有重要的保护作用。后来Daniel等［6］实验证明了这一结论，并指出氧化作用在光照后视细胞凋亡中起着重要作用。为了进一步了解氧化应激在视网膜光变性中的作用，Chen等［7］实验发现视网膜光损伤早期即有HO1等基因的诱导表达，并指出这些基因的增量调节影响光感受器在光氧化应激条件下的存活。
2.3 HO1和年龄相关性黄斑变性
年龄相关性黄斑变性（AMD）是与衰老密切相关的过程，在衰老的过程中，氧化应激反应对RPE和／或脉络膜毛细血管的病理损伤与衰老有着不容忽视的关系。Frank等［8］对不同年龄阶段的正常人黄斑部RPE细胞和新生血管性AMD黄斑部RPE细胞的抗氧化酶HO1的活性进行研究。发现AMD患者视网膜色素上皮细胞溶酶体HO1活性较正常人高，AMD和正常人RPE细胞HO1活性均随年龄降低，其中新生血管性AMD视网膜HO1活性降低更明显。Miyamoll等［9］进一步证明了正常人RPE细胞HO1mRNA和HO1蛋白的表达也有随年龄增长而降低的趋势。以上结果说明，HO1在AMD视网膜色素上皮细胞中的表达，被认为与RPE细胞抑制氧化损伤有关。随着年龄的增加HO1表达减少，酶活性减弱，视网膜抗氧化酶水平下降，故易受氧化应激影响，因此推断HO1与抑制氧化损伤机制在AMD患者脉络膜新生血管形成有关。
2.4 HO1与视网膜缺血再灌注损伤
视网膜缺血再灌注损伤（retinal ischemiareperfusion，RIR)导致视网膜组织发生一系列代谢和结构的损伤，引起永久性视力丧失，临床上常见于急性高眼压性青光眼、视网膜血管阻断性疾病等过程中。在缺血再灌注过程中伴有大量活性氧产生，氧化应激十分明显，能显著诱导HO1的表达。AraiGaun等［10］曾报道，视网膜再灌注后HO1表达增加，主要表达在内核层（INL）、内从状层（IPL）、外核层（ONL），位于Müller细胞质内。最早出现在再灌注6h，12～24h达到高峰，48h开始下降。若在视网膜缺血前玻璃体内注射SiRNA抑制HO1的表达，则在灌注14d后，视网膜损害明显加重，视网膜及玻璃体内大量炎性细胞浸润，视网膜INL和椎体外节大量视网膜细胞丧失，视网膜感觉层结构破坏［11］。在缺血前给予HO1抑制剂亦得到相同结论［2］，而给予HO1诱导剂Hemim则可明显减轻这种损伤［12,13］，并伴有Bcl2家族基因的上调。HO1在缺血再灌注时能有效保护Müller细胞，从而保证视网膜神经节细胞在缺血再灌注时的存活。设法预诱导HO1表达有可能成为临床上防止RIR损伤的又一有效方法。Hegazy等［14］用腺病毒将HO1基因导入鼠视网膜神经节细胞RGCs，分析高水平HO1的表达在RIR中所产生的作用，结果发现，HO1基因转染的鼠RGCs存活率较控制组明显增加。这些结果说明，用基因转染的方法诱导HO1高度表达能够有效保护RIR时RGCs。从而为临床治疗青光眼RGCs的丧失提供一个思路。Marta等［15］研究发现黄酮类化合物能诱导HO1表达及活性增加，内源性CO形成，减少细胞内Na+和Ca2+，改善细胞水肿和线粒体功能障碍，从而缓解视网膜缺血再灌注损害。最近，体外实验又进一步证明［16,17］，黄酮类化合物阻止细胞内活性氧中间物(reactive oxygen intermediates，ROI)的积累，诱导NFE2 和HO1的表达，从而保护人RPE细胞和RGCs氧化损伤。甚至在遭受氧化应激后，黄酮类化合物仍能减轻损伤。黄酮类化合物抗氧化力强，且毒性小，便宜易获得，为临床治疗氧化损伤疾病提供了希望。
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